國 內(nèi)首個自主實現(xiàn)的光量子計算芯片

性能遠優(yōu)于經(jīng)典計算機

●創(chuàng)新點

近年來，關(guān)于通用量子計算機的新聞屢見報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現(xiàn)了更高的量子比特數(shù)紀(jì)錄。但是，即使做出幾十甚至更多量子比特數(shù)，如果不能全互連、精度不夠或無法進行糾錯，通用量子計算仍然無法實現(xiàn)。與之相比，模擬量子計算可以直接構(gòu)建量子系統(tǒng)，不需要像通用量子計算那樣依賴復(fù)雜量子糾錯。一旦能夠制備和控制的量子物理系統(tǒng)達到全新尺度，將可直接用于探索新物理和在特定問題上推進遠超經(jīng)典計算機的絕對計算能力。作為模擬量子計算的一個強有力的工具，二維空間中的量子行走，能夠?qū)⑻囟ㄓ嬎闳蝿?wù)對應(yīng)到量子演化空間中的相互耦合系數(shù)矩陣中，當(dāng)量子演化體系能夠制備得足夠大并且能靈活設(shè)計結(jié)構(gòu)時，可以用來實現(xiàn)工程、金融、生物醫(yī)藥等多領(lǐng)域中的各種搜索、優(yōu)化問題，展現(xiàn)出遠優(yōu)于經(jīng)典計算機的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

但是，想要將量子行走真正運用于模擬量子計算來展現(xiàn)量子算法優(yōu)越性，務(wù)必滿足兩點：足夠多的行走路徑和可根據(jù)算法需求自由設(shè)計的演化空間。以往的量子行走實驗受限于所能制備的物理體系的尺寸，只能做出幾小步演化的原理性演示，且從來不能在真正的空間二維體系中自由演化，遠不足以用于模擬量子計算實驗。近日，上海交通大學(xué)的研究團隊研制了世界最大規(guī)模的三維集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算，這也是國內(nèi)首個自主實現(xiàn)的光量子計算芯片。

●方法和結(jié)果

研究人員通過飛秒激光直寫技術(shù)制備集成化三維波導(dǎo)芯片，以波導(dǎo)走向代表連續(xù)演化時間，端面形成49×49個節(jié)點（總共2 401個節(jié)點）的超大演化空間，這樣即使是單光子注入，也能實現(xiàn)數(shù)以千計的量子行走路徑，實驗中量子達到一百多個行走步徑，突破了量子行走實驗紀(jì)錄；同時在演化過程中，光量子在波導(dǎo)之間的耦合強弱也可通過設(shè)計波導(dǎo)間距來精確調(diào)控。此外，精準(zhǔn)波導(dǎo)彎曲、定量引入損耗等調(diào)控技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展中。不斷純熟的集成化波導(dǎo)芯片技術(shù)使量子行走向?qū)嶋H模擬量子計算應(yīng)用大步靠近。

研究組通過制備PPKTP高亮度單光子源及發(fā)展高分辨率ICCD單光子成像技術(shù)，觀察了光量子的二維行走模式。實驗驗證量子行走不論在一維還是二維演化空間中，都具有區(qū)別于經(jīng)典隨機行走的彈道式傳輸特性。這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越經(jīng)典計算機的基礎(chǔ)。理論指出瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性只在大于一維的量子行走中才實現(xiàn)，而以往準(zhǔn)二維量子行走實驗由于受限的量子演化空間，無法觀測網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實驗中觀測了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進一步驗證了所實現(xiàn)的量子行走的二維特征。

應(yīng)用前景

上海交通大學(xué)團隊通過飛秒激光直寫技術(shù)構(gòu)建了尺度和復(fù)雜度上都達到全新水平的光量子系統(tǒng)，推動新物理的探索和大規(guī)模光量子模擬計算機的研究。這種另辟蹊徑開發(fā)更加可行資源的方法，給未來量子模擬計算的研究帶來很大的啟示。